Совершенствование процесса сушки мицелия в производстве нистатина

На правах рукописи

ЧАЙКА Алексей Юрьевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА СУШКИ МИЦЕЛИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ НИСТАТИНА

Специальность 05.17.08.- Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Иваново 2010

Работа выполнена в ГОУВПО “Ивановский государственный химико-технологический университет” на кафедре “Процессы и аппараты химической технологии”.

Научный - кандидат технических наук, доцент

руководитель: Исаев Вадим Николаевич

Официальные - академик РААСН,

оппоненты: доктор технических наук, профессор

Федосов Сергей Викторович

- доктор технических наук, профессор

Сафин Рушан Гареевич

Ведущая - ГОУВПО “Московский государственный

организация: университет инженерной экологии”,

г. Москва

Защита состоится « 6 » декабря 2010 г. в 10.00 час. на заседании совета по защите кандидатских и докторских диссертаций Д 212.063.05 в Ивановском государственном химико-технологическом университете по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 7, ауд. Г-205.

Тел. (4932) 32-54-33. Факс: (4932) 32-54-33. E-mail: dissovet@isuct.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановского государственного химико-технологического университета по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 10.

Автореферат разослан « 5 » ноября 2010 г.

Ученый секретарь Зуева Г.А.

совета Д 212.063.05

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Снижение активности антибиотиков при их термообработке связано с длительностью воздействия высоких температур. Сублимационная сушка, широко применяемая для таких материалов в химико-фармацевтической промышленности, несмотря на неоспоримые преимущества, имеет существенные недостатки, связанные с длительностью процесса и его энергоемкостью.

Применение вакуум-осциллирующего метода сушки для интенсификации процесса является перспективным направлением для обезвоживания термолабильных материалов. Однако, несмотря на имеющийся экспериментальный и теоретический опыт, накопленный в России по этому направлению, задача физического и математического моделирования вакуум-осциллирующей сушки является актуальной.

Цель работы заключается в экспериментальном и теоретическом исследовании применимости вакуум-осциллирующего метода для сушки мицелия нистатина - полупродукта антибиотика, получаемого в результате биосинтеза, с последующей его переработкой в целевой продукт.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

-исследование сорбционно-структурных свойств мицелия нистатина;

-определение теплофизических характеристик мицелия с различным влагосодержанием;

-изучение кинетических закономерностей вакуум-осциллирующей сушки;

-разработка математической модели процессов обезвоживания материала;

-разработка методики расчета процессов тепломассопереноса при вакуум-осциллирующей сушке.

Научная новизна. Разработана математическая модель процесса сушки с периодическим прогревом материала при атмосферном давлении и последующим сбросом давления, позволяющая определить время достижения конечного влагосодержания.

Получено уравнение, связывающее равновесное влагосодержание мицелия с его температурой и относительной влажностью воздуха, определена гигроскопическая влажность.

Экспериментально установлены зависимости теплоемкости, теплопроводности и температуропроводности мицелия от его влагосодержания и температуры.

Экспериментально и экспериментально-аналитически определены коэффициенты внутреннего массопереноса мицелия, получены эмпирические зависимости этих коэффициентов от влагосодержания и температуры.

Получены критериальные уравнения для вычисления коэффициентов теплоотдачи при сушке мицелия нистатина сбросом давления и его конвективном нагреве.

Практическая ценность. Предложен вакуум-осциллирующий способ сушки мицелия нистатина, позволяющий снизить потери антибиотика на этой стадии производства.

Разработана методика расчета вакуум-осциллирующей сушки.

Рекомендованы режимные параметры проведения процесса сушки мицелия нистатина.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на XXIII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-23» (Саратов, 2010); на XIII Международной научно-технической конференции «Наукоемкие химические технологии-2010» (Иваново-Суздаль, 2010).

Публикации. По результатам диссертационных исследований опубликовано 7 печатных работ, в том числе 3 статьи в ведущих рецензируемых журналах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 163 страницах машинописного текста, содержит 66 рисунков, 9 таблиц. Список литературы включает 122 наименования.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определена цель, научная новизна и практическое значение исследований.

В первой главе рассмотрена технология производства нистатина, анализ которой позволил выявить стадии с наименьшим выходом продукта: сушки пасты мицелия и экстракции нистатина. Однако, поскольку высокая концентрация продукта в экстракте может быть достигнута только путем предварительного максимального обезвоживания мицелия, то в качестве объекта исследования была выбрана стадия его сушки.

Данный процесс в действующем производстве осуществляется путем подачи мицелийной массы в сушильную камеру с кипящим слоем инертной насадки при температуре сушильного агента на выходе 80100 °С. Интенсивное истирание мицелия на поверхности насадки и высокая температура термообработки обуславливают потери, связанные с уносом сухого материала из установки и инактивацией нистатина, интенсивно протекающей при температуре более 50 °C. Рассмотрены способы сушки термолабильных химико-фармацевтических препаратов с присущими им достоинствами и недостатками. Более подробно рассмотрен вакуум-осциллирующий метод сушки, физическая сущность которого заключается в чередовании периодического прогрева материала с последующим сбросом давления в сушильной камере. Такое ведение процесса позволяет активировать молярный перенос влаги в материале и значительно увеличить интенсивность сушки.

Во второй главе приведены результаты экспериментальных исследований свойств мицелия нистатина как объекта сушки, которые включали:

-изучение гранулометрического состава материала, высушенного в сушильной установке действующего производства;

-исследование сорбционно-структурных характеристик мицелия;

-определение его теплофизических свойств;

-исследование коэффициентов внутреннего массопереноса мицелия нистатина: коэффициента потенциалопроводности и относительного коэффициента термодиффузии.

Для определения сорбционно-структурных характеристик мицелия нистатина (суммарного объема его пор и кривых распределения объема пор по радиусам) использовали адсорбционный метод, основанный на обработке экспериментальных изотерм сорбции-десорбции. Полученные данные позволили охарактеризовать материал как переходнопористый с объемной долей микропор 4,3 %; переходных пор – 95,7 %. В целях исследования равновесного состояния мицелия нистатина в диапазоне температур от 0 до 60 °C была получена зависимость максимального гигроскопического влагосодержания материала от температуры

(1)

и равновесного влагосодержания материала от температуры и относительной влажности воздуха

,

(2)

где a’, b’, c’, d’, e’, f’, g’ – опытные коэффициенты политермы десорбции, зависящие от температуры.

Для идентификации теплофизических характеристик мицелия нистатина был использован способ их комплексного определения, основанный на решении уравнения теплопроводности для неограниченного цилиндра с граничными условиями первого рода, зависящими от времени. В результате обработки экспериментальных данных получены следующие корреляционные зависимости тепловых коэффициентов от влагосодержания материала в интервале температур 1,651 °С и влагосодержаний U = 0,10254,0123 кг/кг:

зависимость коэффициента теплопроводности

;

(3)

коэффициента температуропроводности

;

(4)

коэффициента теплоемкости мицелия

.

(5)

Опытное определение коэффициента потенциалопроводности мицелия заданной влажности am осуществляли путем обработки кривых сушки. Материал помещали в кювету, выполненную в виде пластины высотой 5 мм с дном, изготовленным из сетки, и высушивали в изотермических условиях при скорости воздушного потока, исключающей внешнедиффузионное сопротивление (14 м/с, ). Идентификация коэффициента потенциалопроводности заключалась в решении нелинейного уравнения

(6)

относительно критерия Фурье при известных Uср() и с последующим нахождением am. При этом использовались узкие интервалы времени, на которых среднее влагосодержание Uср() уменьшалось не более чем на 6 % от первоначального U0. Обработка экспериментальных данных позволила получить зависимость am от влагосодержания и температуры

(7)

при t = 350,8 °C и U = 0,42,5 кг/кг.

Относительный коэффициент термодиффузии мицелия нистатина был определен с помощью политермы десорбции путем последовательного расчета химического потенциала, влагоемкости материала и температурного коэффициента химического потенциала. Зависимость относительного коэффициента термодиффузии от влагосодержания и температуры представлена формулой

(8)

в интервале температур t = 060 °C и влагосодержаний U = 03,0 кг/кг.

Комплексный анализ результатов экспериментальных исследований мицелия нистатина как объекта сушки и его физико-химических свойств позволил обосновать выбор метода обезвоживания материала - использование вакуум-осциллирующей сушки.

Третья глава посвящена разработке математической модели вакуум-осциллирующей сушки материала в вакуумных сушильных камерах полочного типа.

В соответствии с физической сущностью вакуум-осциллирующей сушки рассмотрены следующие группы процессов:

1) процессы изменения параметров влажного воздуха при его откачке из сушильной камеры в ходе вакуумирования системы;

2) процессы переноса теплоты и массы на стадии сброса давления;

3) процессы тепломассопереноса на стадии конвективного нагрева материала при атмосферном давлении.

Уравнения газодинамической модели записаны на основе материального и теплового балансов, характеризующих изменение парциальных давлений компонентов влажного воздуха и его температуры в сушильной камере:

;	(9)
;	(10)
;	(11)

с начальными условиями: рс.в. = рс.в.0; рв.п. = рв.п.0; tв = tв0.

Перед использованием системы уравнений (9)-(11) проведена предварительная идентификация ее параметров: суммарной проводимости всех течей системы UТ, эффективной быстроты откачки газа из вакуумной системы Sэф и теплового потока, поступающего от стенок сушильной камеры q(). Решение системы осуществлялось методом Рунге-Кутта второго порядка совместно с задачей тепломассопереноса при обезвоживании мицелия.

Динамика полей температуры и влагосодержания внутри слоя мицелия на стадии сброса давления описана системой уравнений в частных производных

;	(12)
;	(13)

с граничные условия первого и третьего рода соответственно

;	(14)
;	(15)
;	(16)

условием симметрии

(17)

и начальными условиями, характеризующими распределение влагосодержания и температуры внутри материала после предшествующей стадии конвективного нагрева

;	(18)
.	(19)

Для расчета полей влагосодержания и температуры материала на стадии сброса давления система (12)-(13) дополнена выражениями зависимости общего давления pм от температуры tм и влагосодержания материала U. При этом полагали, что это давление равно равновесному давлению водяного пара при данной температуре и влагосодержании. Параметрами модели, подлежащими предварительной идентификации по экспериментальным температурным кривым и кривым сушки, являются коэффициент молярного переноса, критерий фазового превращения при сбросе давления и коэффициент теплоотдачи. Решение модели осуществляли по явной разностной схеме сеточным методом.

На стадии конвективного нагрева распределение температуры и влагосодержания по толщине слоя материала может быть рассчитано с помощью системы уравнений

;	(20)
;	(21)

с граничными условиями третьего рода

;	(22)
;	(23)

условием симметрии (17) и начальными условиями

;	(24)
.	(25)

Для первой стадии конвективного нагрева начальные условия имеют вид:

;	(26)
.	(27)

При расчете использовался комбинированный метод с разбивкой процесса тепломассопереноса на последовательные микропроцессы. Распределения температуры и влагосодержания в конце i-го микропроцесса являлись начальными условиями для расчета полей этих величин на следующем шаге. Для расчета поля влагосодержания использовано аналитическое решение А.В. Лыкова

;

(28)

для расчета поля температуры решение С.В. Федосова

.

(29)